超冷费米子量子模拟揭示配对赝隙

一个研究小组首次观察到并定量表征了酉费米气体中的多体配对赝隙。这一成就被超冷原子界追求了近20年，解决了关于这些气体中是否存在配对假间隙的长期争论。它还支持在预成型对超导理论的框架内，将配对作为高温超导体中假间隙的可能起源

这项研究于2月7日发表在《自然》杂志上，由中国科学院中国科学技术大学的潘建伟、姚兴灿和陈玉傲教授领导，恰逢龙年即将到来。有趣的是，这一成就背后的物理学可以通过中国标志性的神话“鲤鱼跳龙门”生动地说明，象征着中国文化的巨大成功

能隙的存在是超导电性的一个标志性现象。在传统的超导体中，能隙存在于超导转变温度（Tc）以下。在铜酸盐高温超导体中，即使在Tc以上也可以观察到能隙，这一现象被称为假隙

了解假间隙的起源和性质对于理解高温超导的机制至关重要，特别是关于库珀对如何形成和建立长程相位相干性

关于赝隙的起源，有两个主要假设：它是由强电子对波动引起的，表现为Tc以上的预制电子对，并作为相干电子对凝聚的前兆；它产生于高温超导体中的各种量子序，如反铁磁序、条带相和对密度波。然而，高温超导材料的复杂性使这些问题在很大程度上没有得到解答

一元费米气体为研究配对赝隙的存在和特性提供了一个理想的量子模拟平台。这可能归因于它们前所未有的可控性、纯度，最重要的是，存在已知的短程吸引相互作用。此外，体费米气体中晶格结构的缺失消除了竞争量子阶数的影响

在这种情况下，以前的实验已经测量了强相互作用费米气体的陷阱平均单粒子光谱函数。然而，这些实验并没有提供假间隙的令人信服的证据，这主要是由于陷阱的不均匀性以及在常用的rf光谱中由最终态相互作用引起的严重问题

经过多年的专注工作，USTC研究团队已经建立了一个使用超冷锂和镝原子的量子模拟平台，并实现了最先进的均匀费米气体制备（科学）。此外，该团队还开发了新的技术来稳定所需的磁场

在大约700 G的磁场下，实现的短期波动低于25μG，导致了创纪录的高相对磁场稳定性。这种超稳定的磁场使研究团队能够使用微波脉冲将原子激发到与初始态不相互作用的高能态，从而实现动量分辨光电发射光谱

有了这两项关键的技术突破，研究团队系统地测量了不同温度下酉费米气体的单粒子光谱函数，并观察到了配对假间隙的存在，为预成型配对作为超流体前驱体的作用提供了支持

此外，研究团队根据测量的光谱函数确定了配对间隙、配对寿命和单粒子散射率，这是表征强相互作用量子系统行为的基本量

这些发现不仅推进了强相关系统的研究，而且为建立适当的多体理论提供了有价值的见解和信息

这项工作中开发的技术为未来探索和研究其他重要的低温量子相奠定了基础，如单带超流体、条纹相和Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov超流体